黄葛树隧道出口左幅仰拱开裂原因分析及处治措施

赵明飞

（云南省昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南 昭通 657000）

0 引言

仰拱开裂是隧道施工过程中破坏了原有的应力结构，改变了土体和地层中应力平衡状态，加上卵石、漂石、黏性土受雨水稀释，降低自稳力，造成应力重新分布仰拱发生开裂的过程。隧道施工中遇到仰拱开裂会对工程建设及后期运营造成较大的负面影响，需要投入巨大的人力、物力，以确保工程安全和运营安全。仰拱开裂的原因和地质水文条件密不可分，本文结合黄葛树隧道左幅仰拱开裂案例，分析本次仰拱开裂的发生机理，并提出对应的处治措施，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

黄葛树隧道为分离式—小净距隧道，隧道呈直线形展布，电光照明、机械通风；该隧道总体轴线方向约270°，左线隧道起讫桩号ZK62+430～ZK63+627，全长1197m，隧道最大埋深约94m，位于ZK63+340 处；右线隧道起讫桩号K62+460～K63+653，全长1193m，隧道最大埋深约102m，位于K63+380 处。进口左右线间距19.28m，出口左右线间距5.09m。隧道左幅平面线形参数（R-1350/L-954.708；A-393.162/L-150；R-∞；A-583.095/L-200；R-1700/L-261.431；A-583.095/L-200；R-∞），右幅平面线形参数（R-1030/L-1901.309；A-395.105/L-150；R-∞；R-4100/L-1003.154）；隧道设计纵坡结合隧道内排水、通风及隧道施工条件等因素综合比选确定，左右幅为-2.37%。

隧址区第四系覆盖层厚度大，主要为含碎石粉质黏土、粉质黏土、碎石、角砾等，下伏基岩为奥陶系灰岩夹砂岩。隧道主要为Ⅴ级围岩，主要为卵石，含漂石、夹黏性土，围岩自稳能力差，无支护时拱部易产生坍塌，侧壁易失稳、掉块。该类地层自稳能力不强，雨水浸泡后承载力降低，抗冲刷能力弱，在支护不够或超挖、扰动的情况下，易破坏原有胶结状态，形成松动圈[1]。

2 仰拱开裂事故

2020 年6 月6 日，工人清扫填充面时发现出口左洞ZK63+567～ZK63+502（65m）仰拱存在裂缝，裂缝位置在行车方向左侧，裂缝宽度2～5mm。

2020 年6 月6 日～2020 年6 月15 日仰拱裂缝纵向持续往两边发展。开裂至ZK63+460（共107m），仰拱裂缝宽度扩大到2cm。

2020 年7月3 日，仰拱裂缝发展至ZK63+585～ZK63+314（271m），仰拱裂缝最大宽度3cm 左右。

2020 年8 月28 日，出口左幅仰拱ZK63+622～ZK63+113（509m）。

2020 年9 月11 日，统计裂缝发展情况：出口左幅仰拱ZK63+622～ZK63+112（510m）。

3 地质勘察分析及仰拱开裂原因分析

3.1 地质勘察分析

3.1.1 隧道区域地形地貌稳定性分析

隧道接近山顶，山坡顶部呈浑圆状，并无大的山体与之连接，无形成滑坡体物质成分来源。

3.1.2 掌子面揭示地层与勘察地层对比分析

从掌子面开挖情况看，隧道的围岩主要为卵石（含黏性土、卵石），含碎石粉质黏土、含砾黏土，其母岩成分为砂岩、灰岩等，空隙间为黏土充填，为冲积、洪积成因地层，与勘察期间钻孔揭示地层一致，因此：隧址区排除所在山体为大型古滑坡的可能性，该区域主要地层为冲、洪积成因的堆积体，现阶段隧址区所在山体整体稳定[2]。

3.2 隧道仰拱开裂主要原因

根据地质补充详勘资料显示，结合掌子面开挖提示的地质围岩，黄葛树隧道区域地质围岩主要为卵石（含黏性土、卵石），含碎石粉质黏土、含砾黏土。由于隧道埋深较浅（仰拱开裂段最浅20m），掌子面开挖后改变了原来地层应力平衡，发生应力重新分布，形成松弛圈，应力重新分布产生裂缝辐射到地面，加上连续降雨，雨水顺地表裂缝下渗稀释卵石（含黏性土、卵石），碎石粉质黏土、含砾黏土黏结力稀释，自稳力降低，隧道初期支护、二次衬砌荷载增大，产生不均匀沉降导致仰拱开裂。

4 方案探讨

为了保证黄葛树隧道施工安全完及后期运营安全，消除施工安全隐患，采用“加强原设计初期、二次衬砌支护参数，在拱脚左右两侧设置钢管桩加固，仰拱曲率加大，路面混凝土增设钢筋网”原则进行综合措施治理。具体措施如下：

4.1 已开裂仰拱处治措施

（1）对已开裂仰拱段在左右两侧边墙脚底部各施作两根φ108mm×6mm 钢管桩并注水泥浆，钢管长L=9m，纵向间距1.2m。钢管内增设钢筋笼加强抗剪能力。

（2）在仰拱下方施作φ42×4mm 钢花管注浆固结，提高地基承载力。

（3）混凝土路面基层增设φ820cm×20cm 钢筋网，增强防裂效果。

4.2 对后期开挖施工的初期支护及仰拱施工措施

（1）加强初期支护参数，由原设计I18 钢拱架加强为I20钢拱架闭合成环，加强初期支护承载能力。

（2）初期支护工字钢分别于两侧拱腰、边墙、拱脚处各设置2 根共计12 根φ42×4mm 锁脚小导管，L=4.5m。加强仰拱开挖时初期支护抗下沉能力。

（3）加大仰拱曲率，内轮廓仰拱半径由1800cm 调整为1200cm，仰拱回填深度由145cm 调整为206.4cm，使初期支护封闭成环受力环效果更好。

（4）于仰拱底部施做30cm 碎石垫层并夯实，提高地基承载力，降低不均匀沉降。

（5）混凝土面基层增设φ820cm×20cm 钢筋网，增强防裂效果。

图1 仰拱开裂处治方案设计图

5 结语

在隧道地质围岩较差，地基承载较低，隧道开挖后发生应力重新分布地表水下渗降低围岩自稳力时，有可能发生初期支护变形、二次衬砌变形，导致仰拱开裂事故发生。应加强地质超前预报及前期隧道内监控量测及洞外地表观测，根据监控量测结果及时调整初期支护及二衬砌支护参数。当仰拱发生开裂事故时可采取钢管桩注浆拱脚加固，仰拱径向注浆加固提高地基承载力及路面混凝土基层增设钢筋网等措施综合进行处治。